第https://doi.org/10.1038/s41467-024-50715-0 条

用于离网淡水发电的太阳能驱动大气抽水器

灌溉

收稿日期： 2024-02-28

录用日期： 2024-7-19

检查更新

杨凯杰 ^1,2,3,7， 潘婷婷^1,7， 纳迪亚·费尔哈特³， 亚历杭德拉·伊瓦拉·费利克斯³， 丽贝卡·沃勒⁴， 洪培英³， 约翰内斯 S. Vrouwenvelder³,

俏强甘 ^2,3& 余汉^1,5,6

淡水短缺是一项重大的全球性挑战，影响着 22 亿人¹²。这个问题不仅影响到那些生活在干旱和偏远地区的人，因为在这些地区，长距离运输水要么成本高昂，要么不切实际³，而且也影响到没有稳定淡水资源的发达岛屿地区或沿海地区⁴。此外，气候变化和人口快速增长加剧了这种情况⁵。农业灌溉和发电是需要淡水的两个主要过程，分别占全球淡水取水量的 70% 和 15%⁶⁷。然而，淡水生产依赖于能源输入⁶ （energy input），这凸显了水-能源-食物关系在实现可持续方面的重要作用

开发⁸⁹.

使用可再生能源生产淡水，用于饮用水和灌溉，对于满足对水、能源和食品日益增长的需求至关重要。据估计，大气水是一种无处不在的自然资源，其淡水总量是全球河流淡水总量的六倍³¹⁰。此外，由于全球变暖，预计其可用性将增加¹¹¹²。太阳能驱动的大气水提取 （SAWE） 已成为一种非常有前途的分散式淡水供应方法，尤其是在偏远、缺水的地区¹³¹⁶。通常，SAWE 系统使用吸湿性吸附剂从周围环境中捕获水分¹⁶¹⁷。达到饱和后，系统被密封并暴露在阳光下，以开始释放捕获的水。这一过程使 SAWE 能够超越地理和气候限制，与其他被动大气水提取技术（如雾和露水）相比，使其成为一种更普遍适用的技术

收藏151618.

然而，由于吸附剂材料的动力学速度慢，以前的 SAWE 系统经常面临限制，每天只允许一个吸附-解吸循环，夜间捕获水分，白天产生水¹⁹²⁰。因此，这些系统的生产率本质上受到吸附剂吸附能力的限制。使用多循环系统可以通过开发具有快速动力学的吸附剂或吸附剂床来克服这一限制²¹， ²³。尽管取得了令人鼓舞的进步，但这项技术的广泛采用仍然受到纳米材料的高成本和与扩大原型相关的挑战的限制 ²⁴²⁵。此外，由于其循环性质，这些系统只能在阳光下间歇性地生产水²⁶，而切换周期需要一个主动系统或劳动密集型操作和辅助运动部件，从而导致能源密集型过程和系统复杂性²³。为了充分利用 SAWE 的巨大潜力，需要一个真正的被动和可扩展的系统，该系统可以在没有劳动密集型维护的情况下有效地生产淡水。

在这项研究中，我们提出了一个独立的 SAWE 系统，该系统能够仅使用阳光生产淡水而无需维护。在 1 个太阳光照下，系统产生

0.65L m² h¹ 的淡水在 90% 相对湿度 （RH） 下，并在 RH 低至 40% 的环境中持续工作。根据太阳辐射和湿度分布评估了该系统的全球潜力。结果表明，它在大多数地区都是可行的，特别适用于太阳辐照度丰富和高湿度的赤道地区，可实现每天 4.6 Lm² 的最大产水潜力。构建了该系统的放大版本，保持了原型设计的简单性和经济性，其性能在沙特阿拉伯进行了测试。该系统在各种季节性天气条件下持续运行，无需运行，实现了每天约 3.0 L m 2 的最佳水生产力。大气收集的水成功地用于 Brassicarapa（大白菜）的离网灌溉，突出了它在缺乏大规模水源的地区进行即点离网灌溉的潜力。

结果

系统设计和解决方案

数字1
a 说明了拟议系统的设计，强调了其主要特点—
质量传输桥 （MTB） 结构，由许多垂直排列的微通道组成，注入盐溶液作为液体吸附剂。根据温度分布（图 D）。1
b-I），MTB 结构分为两个功能区域：暴露于环境中的室温区域，用于连续捕获大气中的水（图 I 中的过程 I）。1
a） 和封闭在室内的高温区域用于淡水生成（过程 II–
图 IV 中的 IV。1
a）. 在其运行过程中，室温区域捕获大气中的水并将其储存在容器中。当系统接收到阳光时，太阳能吸收器将光转化为热量，并在高温区域产生浓蒸气。释放的蒸汽在腔室壁上冷凝，产生淡水。随着水生产的进行，储存在容器中的捕获水蒸腾到高温区域，确保不间断和有效。fi
CIENT 蒸汽生成。同时，高温区的浓液体吸附剂通过扩散和对流输送回室温区，从而

图 2 |系统制造的材料选择。在 GFMon-time 内增加水的毛细管高度的 UV-Vis-NIR 光谱在补充图 2 中的照片中看到了记录的湿态太阳能吸收器，表现出 ~96% 的光吸收率。绿色曲线描绘了与标准太阳光谱辐照度（AM 1.5G）的线性递增。b GFM内水质量的SEM图像，对应于GFM的增加，显示了交织的纤维结构。c 蓝色曲线显示了毛细管上升高度。d 饱和LiCl溶液的水吸附等温线。

它继续捕获大气中的水（图 D）。1
b-II）。特别设计的山地车结构确保高度有效fi
在整个过程中持续运输水、吸附剂和热量利用，从而确保完全被动和免维护的大气水生产。通过将冷凝的水滴引导到植物根部，该设备可以仅使用大气水促进离网灌溉（图 D）。1c).

为了实现所提出的系统，通过将部分氧化的碳纳米管 （CNT） 加载到玻璃上来制造太阳能吸收器fi
ber 膜 （GFM）。由于 CNT 的捕光微结构（补充图 1）和固有的黑色特性，所得太阳能吸收器在湿状态下的太阳能吸收率可以达到 ~96%（图 1）。2
a）. GFM 因其亲水性和交织性而被用于制造 MTBfi
brous 结构（图2
b）. 在微观尺度上，交织在一起的fi
BERS 形成丰富的毛细管微通道，赋予 GFM 强大的水运输能力。GFM 可以快速输送水（图 D）。2
c），在 10 分钟内将其升高到 10 cm 以上的高度，并在 2 小时后达到约 27 cm 的高度（补充图 2）。值得注意的是，吸水量随毛细管上升高度线性增加（图 D）。2
c）. 这个fi
NDING 表明，几乎所有的微通道都被水饱和，因此，相互连接的 water-fi
LLED 通道为后置提供路径
佛罗里达州
OW 的吸附剂。本文选择氯化锂 （LiCl） 溶液作为吸湿性液体吸附剂，因为它的可用性、成本效益、广泛的适用 RH 和强大的水分子捕获能力^27,28
.如图 1 所示。2
d，饱和 LiCl 溶液可在低至 15% 的 RH 下捕获水分子，吸附容量达到 ~2.5 g g⁻¹
当 RH 增加到 90% 时。此外，被 LiCl 溶液捕获的水可以fi
随着 RH 的降低而无滞后地释放。通过将太阳能吸收器和 GFM 片材与 PMMA 框架组装在一起，然后在fi
将 LiCl 溶液放入 MTB 结构中，则
可行性verifi
阳离子
开发原型的蒸发面积为 3 cm × 3 cm（补充图 3）。

性能评估

原型的 SAWE 性能在受控环境中进行了第一次测试。当暴露在太阳辐射下时，MTB 顶部的太阳能吸收器将入射光转化为热能。然后，这种能量沿着 MTB 传导，产生温度梯度。因此，MTBs 结构可分为两个不同的功能区（补充图 4）：高温蒸汽生成区（即封闭在腔室中的上部 MTBs 结构）和室温下的大气水捕获区（即暴露于环境中的下部 MTBs 结构）。系统调整 MTB 结构以优化产水效率。蒸汽生成区和大气水捕获区的最佳高度分别为 3 和 5 cm，以最大限度地提高光热能利用率并确保可靠的水分捕获动力学。此外，使用 32 个 GFM 片材构建 MTBs 结构，保证有效的吸附剂和水运输（参见补充说明 1 和补充图 5-20 中的详细优化程序）。

录制了一段视频，以直观地了解 优化原型系统的实时运行情况，其中 MTBs 结构在 90% RH 下用 0.24 g g¹ 的 LiCl 溶液过滤（补充电影 1）。在没有阳光的情况下，原型系统进行大气中的水捕获，将收集到的水储存在一个容器中。随着该过程的继续，容器中的水位增加（图 D）。 3a-i）。暴露在阳光下时，蒸气释放并冷凝生成水（图 D）。 3a-II）。同时，一部分储存的水被向上输送到

补偿蒸汽生成区中水分含量的减少，相应地降低容器内的水位（图 D）。 3a-III）。有趣的是，水位的下降并不明显，因为原型在产水过程中继续捕水。同时进行的集水和生产过程均受 RH 监管。具体来说，在 1 个阳光照射 8 小时下，原型产生了 ~1.8 ml 水，同时在 65% RH 下从环境中捕获了 ~1.5 g 大气水。这相当于大约 0.22 L m² h¹ 的产水速率（图 D）。 3b）。

然后，原型’
在连续 8 天的产水测试中，对不同 RH 条件下的性能进行了全面评估（图 D）。3
评估的每一天包括 16 小时的黑暗，然后是 8 小时的 1 阳光照射。产水速率在 60% 和 70% RH 条件下最初下降，但在 80% 和 90% RH 条件下初期增加。这种变化强调了系统’
对环境条件的适应性。在整个操作过程中，该系统实现了质量传递平衡状态，并在 MTB 结构内建立了一个从上到下逐渐降低的盐浓度梯度（补充说明 2 和补充图 21–
23）. 这种浓度梯度有利于吸附剂自动返回
佛罗里达州
OW 通过扩散和对流，使原型系统能够自主运行，无需维护或调整即可在集水和产水模式之间切换（补充图 24）。随着 RH 从 60% 增加到 90%，1 个太阳光照下的稳定产水速率从 ~0.04 增加到 ~0.65 kg m⁻² h⁻¹
，对应于 solar-water 收集 ef 的显著增加fi
浓度从 3.5% 到 44.3%（补充注释 3 和补充图 25 和 26）。这些结果强调了所提出的系统在免维护模式下从相对潮湿的空气中提取淡水的能力。与以前报道的通常需要手动操作或依赖电力的SAWE设备相比（参见补充表1中的总结性能），所提出的系统提供了显著的fi
在操作简单性和实用性方面具有优势。展示我们的系统在先前报告的里程碑中的卓越性能²⁶
，其特点是使用高性能但昂贵的吸湿性吸附剂 （[EMIM][Ac]）同时捕获和生成水，我们根据记录的程序复制了一个系统（参见补充说明 7 中的技术细节）。使用相同的经济实惠的吸附剂（即 LiCl），我们的系统将制水性能提高了 9.6 倍。这个标志fi
通过减少系统占用空间 EF 实现了 Cant 改进fi
CIENT 质量传输和优化的热管理。这种比较清楚地强调了我们的系统在效率方面提供的进步。fi
效率和成本效益。值得注意的是，与被动辐射冷却诱导大气水提取技术相比^29,30
，确保不间断的产水，在相同条件下，该系统的产水率高出 11 倍以上（补充表 1）。此外，该系统还在手动模式下进行了评估，在此期间，在大气水捕获过程中手动打开腔室以增强质量传输（补充图 27）。虽然在这种模式下需要定期运行，但该系统即使在 40% 的低 RH 下也可以出水，其产水量范围为 0.15 L m⁻² h⁻¹
在 40% RH 至 0.68 L m 时⁻² h⁻¹
在 90% RH 时（参见补充图 28）。与免维护模式相比，该系统在这种模式下的性能更胜一筹，在适用的 RH 范围和特定产水能力方面都表现出色。fi
c RH 水平。

通过建立产水率和 RH 条件之间的相关性（补充图 29），根据 2022 年的日平均 RH 变化（补充图 30），分析了沙特阿拉伯吉达（一个发达但缺水的城市，人口超过 480 万）的系统全年产水能力（补充图 30）。在免维护运行模式下，该系统在半年以上都是可行的，最高产水率达到 ~0.56 Lm² h¹（图 D）。 3d）。在手动模式下（补充图 31），该系统几乎全年保持运行，仅经历了 12 天的不利 RH 条件，无法生产水。这强调了拟议的 SAWE 系统在缺水地区的巨大潜力。

为了进一步评估所提出的系统的全球适用性，我们制作了一张地图，说明了全球估计的产水效率（图 D）。 3e） 使用全球平均 RH 和太阳辐照量统计数据（补充图 32）³¹³²。该地图显示，该系统的免维护运行模式非常适合太阳辐射丰富和高湿度的赤道地区，这与 SAWE 1 的全球报道潜力一致。值得注意的是，在巴布亚新几内亚的新爱尔兰岛，以高 RH 值和充足的太阳能为特征，每天的产水量可达 4.6L m²。在手动模式下，该系统适用于全球大多数地区（补充图 33）。

现场测试

为了验证所提出的 SAWE 系统的实际应用和效用，制作了一个更大的原型 （蒸发面积： 13.5cm×24 cm） （补充图 34） 用于户外实验。实验是在 KAUST 的屋顶上进行的（参见图 1 中的实验设置）。 4a） 的 100 月 2022 日上午 19：00 开始。运行 24 小时后，在第二天 19：00 测量所产水的重量（实时天气状况见补充图 35 ）。如补充电影 2 所示，当系统白天暴露在阳光下时，会产生 ~95 毫升的水。其中，~85 ml 流入量筒，剩余的 10 ml 保留在腔室中（图 D）。 4b）。根据原型的投影面积，计算出产水量为每天 ~2.9 Lm²。

在 35 天内进一步评估了该系统的产水能力
跨两个季节
在
Thuwal， 沙特
阿拉伯：夏季 10 天，秋季 25 天。夏季阳光强烈，气温高，每天产水量在 65 至 96 毫升（相当于 2.0 毫升−
3.0 升 m⁻²
每天）（图4
c）. 规格fi
c 日产水量
佛罗里达州
受接收到的太阳能和 RH 条件的影响（参见补充图 35 中的实时天气变化）。在秋季，太阳强度和温度都下降了;然而，原型仍然有效，每天的产水量在 35 到 90 毫升（相当于 1.1 毫升−
2.8 升 m⁻²
每天）（图4
更有趣的是，由于其完全被动的工作原理，该系统自发连续运行以生产水，而无需额外维护。此外，在实际应用中，通过连接原型来满足更大的用水需求，可以增加产水量。如补充图 36 所示，将 6 个原型串联在一起，总占地面积为 23 厘米× 93 厘米，按比例放大的系统一次生产了 ~480 毫升的淡水
日。此值大约为
六
乘以生产力 ofeachunit.

值得注意的是，astheSAWE 系统通过从空气中提取水来产生水，并在整个运行过程中一直暴露在环境中。收集的水可能容易受到空气污染物的污染。在其他大气水提取技术中也观察到了这个问题，例如雾收集和露水冷凝³³³⁴。因此，通过测定其中离子和微生物细胞的浓度来评估系统产生的水质。如图 1 所示。4d，所有离子指标均远低于 WHO 的指导值（用红色虚线表示）³⁵。对于微生物学（补充表 2），HPC 36oC 的所有值，

总大肠菌群和大肠杆菌低于检测限。活性生物量的测量值低于该方法的检测限 （≤ 0.01 pg ATP mL¹），表明细菌存在非常低或没有细菌。这表明水质满足饮用和灌溉使用的要求。

SAWE 系统不需要大量水源，只需最少的安装和维护，即可实现自主的按需灌溉。这代表了在缺乏液态水资源的缺水地区进行灌溉的革命性解决方案，如图 2 所示。5个为了验证这种工作模式，开发了一种自动滴灌系统（图 D）。 5b）。收集并储存来自 SAWE 系统的水，以便在夜间进行滴灌，以避免白天蒸发过多。选择大白菜作为植物种植的代表，因为它是一种商业蔬菜，具有土壤含水量。Seedsweredouble-sowedina 定制的亚克力托盘，有 10 个独立的隔间，里面装满了标准盆栽土。每天 20：00 将从 SAWE 系统收集的大约 9 毫升水输送到托盘中的每个隔间，总计 90 毫升用于每天向生长系统灌溉。

为了比较使用大气水与传统供水进行灌溉应用，以相同的体积供应相同的种植系统( ~
9 毫升）的 KAUST 自来水。还测试了第三个种植系统，其中没有提供灌溉用水。每天 19：00 测量土壤的体积含水量 （VWC） 和电导率 （EC）。接受大气水或自来水灌溉的土壤表现出 12% 和 145 的 VWC 和 EC 相当μS m⁻¹
，分别（图 D）。5
c） 并且植物显示出持续的生长（图 D）。5
d 和补充图 37 和 38，参见补充图 39 中的高度和叶子大小变化记录和补充图 40 中的实时天气状况记录）。没有灌溉的系统没有显示出植物生长的迹象（补充图 41）。灌溉 20 天后，收获所有植物并测量其新鲜和干燥的生物量。如图 1 所示。5
e，用自来水灌溉的植物的生物量与用收集的大气水灌溉的植物生物量相似（见补充表 3 中的原始数据）。验证报告的可靠性fi
ndings，在 KAUST 的屋顶上进行了涉及植物灌溉的重复实验。一致的结果 confi
rmed 的
利用大气水进行灌溉的可行性（补充图 42 和 43）。

还探索了另一种灌溉操作模式，在每个花盆旁边安装一个原型，原型产生的水直接流向植物的根部（补充图 44）。这种灌溉模式提供了可扩展的自动 SAWE 灌溉应用。该系统可以维持的可灌溉面积取决于环境条件和目标植物的特定用水需求。为了揭示开发的灌溉系统的潜力，选择了两种不同类型的植物生长系统：大白菜种植系统和 Vachellia tortilis （Acacia tortilis） 沙漠树木种植园。根据其日常用水需求评估系统的可持续灌溉能力（补充注释 4 和补充图 45 和 46）。具体来说，在 70% RH 下，一个 1 m² 的系统可以在免维护和手动模式下分别维持高达 ~0.8 和 ~1.0 m² 的大白菜生长。对于沙漠种植园，在相同条件下，一个 1 m² 的系统可以分别在免维护和手动模式下维持三个和四个以上的 Vachellia tortilis 的生长。这些

结果表明，拟议的 SAWE 技术在利用点灌溉应用中的潜力，即通过从空气中收集水来减少对地下水资源的依赖，特别是在缺水地区。

我们提出了一个设计合理的 SAWE 系统，用于
高性能
淡水生产和离网灌溉。与传统的大气水不同–
收获系统，拟议的原型消除了对复杂系统设计和费力操作的需求。实施这种设计的关键在于利用太阳能驱动的蒸腾作用和由此产生的浓度梯度来促进 MTB 结构内水和吸附剂之间的自发平衡。通过优化 MTB 结构，
原型在不同的 RH 条件下以高速率生产淡水。特别是，该系统实现了 0.65 升米的稳定产水率⁻² h⁻¹
在 90% RH 和 1 阳光照射下，在免维护运行模式下。在手动模式下，该系统可在 RH 水平低至 40% 的环境中运行，使其适用于大多数气候。该系统的实际性能在
图瓦尔
沙特阿拉伯。结果表明，它有可能利用收集的大气水进行灌溉，以种植大白菜。可以直接供应给植物的离网和低维护大气水提取可以彻底改变偏远、缺水地区的灌溉。

方法

原型制造

通过将部分氧化的 CNT 加载到 GFM上，以受控负载百分比~10wt 制造太阳能吸收器。%。 然后通过将 GFM（~0.45 毫米厚，~60% 孔隙率）组装到设计的 PMMA 框架中来创建 MTB 结构。具体来说，GFM 被首次切割成宽度为 3 cm 的条带，并通过激光切割和重新组装单元制造了 PMMA 框架。然后，将这些条带组装到设计的 PMMA 框架中，以实现 MTBs 结构的制造。最终原型是通过将 MTBs 结构、太阳能吸收器、聚光镜室和容器组合在一起，并将LiCl 溶液过滤到 MTBs 结构中来构建的。有关其他详细信息，请参阅补充方法。

结构表征

通过 SEM （Teneo VS， FEI） 对微观结构进行表征。太阳能吸收器的光吸收光谱通过 UV/Vis/NIR 光谱仪（Lambda 950，PerkinElmer）测量。通过动态蒸汽吸附分析仪 （IGAsorp， HidenIsochema） 评估饱和 LiCl 溶液的水分捕获和释放等温线。红外摄像头（H16，海康威视）和配备超薄热电偶的多通道温度计（JK808，JinKo）记录了沿 MTB 结构的温度分布。

性能评估

原型的性能在研究室 （AR66L， Percival） 中进行评估，在那里可以精确控制温度和 RH。户外实验是在 KAUST 的屋顶上进行的。环境条件，包括 RH、温度和太阳强度由气象站 （HP2550， Misol） 记录。离网灌溉实验在 KAUST 的阳台上进行。一个定制的亚克力托盘有 10 个独立的隔间，用于植物生长。选择大白菜种子（优质卷心菜，隆大种子）进行示范，并使用标准盆栽土（Basissubstrat 2，Stender）进行植物生长。详情请参阅补充方法。

报告摘要

有关研究设计的更多信息，请参阅本文链接的 Nature Portfolio Reporting Summary。

数据可用性

作者声明，支持这项工作的所有数据都包含在正文或补充信息中显示的图形中。 源数据随本文提供。

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确认

这项工作得到了阿卜杜拉国王科技大学基线（BAS/1/1415-01-01 和 BAS/1/ 1372-01-01）、阿卜杜拉国王科技大学研究翻译补助金 （REI/1/5412-01-01）、阿卜杜拉国王科技大学竞争性研究补助金 （URF/1/5019-01-01） 和 FutureWei 对阿卜杜拉国王科技大学的礼品基金 （GIF/5/5705-01） 的支持。

作者贡献

K.Y. 和 T.P. 构思了这个概念，执行了这个项目并撰写了手稿。N.F.、A.I.F.、P.H. 和 J.S.V. 进行了水质测量。R.E.W. 提供了灌溉建议。Q.G. 和 Y.H. 构思了这个概念，监督了这个项目，并修改了手稿。

利益争夺

基于这项工作结果的专利披露已通过 KAUST 提交（发明人：Yu Han; 杨凯杰;潘婷婷;俾强 甘宇S.ProvisionalApplicationNo.63/342,781）。Theremaining作者声明没有竞争利益。

其他信息：

补充信息 在线版本包含可从 https://doi.org/10.1038/s41467-024-50715-0 获取的补充材料。

信件和材料请求应寄给 Qiaoqiang Gan 或 Yu Han。

同行评审信息Nature Communications 感谢匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。同行评审文件可用。

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